固体电子学研究与进展

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薛舫时, 杨乃彬, 陈堂胜

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 251-257.

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考虑大沟道电流下外沟道局域电子气慢输运行为破坏沟道电中性,诱生空间电荷导致的能带峰势垒,提出了新的跨导崩塌模型。详细计算了不同栅压和不同沟道电流密度、即不同空间电荷密度下的场效应管能带。引入新的能带峰势垒和沟道电子跨越势垒的动态模型,解释了沟道打开过程中源电阻增大、沟道电子平均速度下降、大沟道电流下跨导下降等各类跨导崩塌行为,解释了场效应管沟道电子速度远低于异质结材料的缘由。运用沟道打开时的异质结充电和大沟道电流激励下空间电荷触发的能带峰势垒模型解释了跨导钟形曲线上升段中的电流崩塌和下降段中的跨导崩塌。深入研究了陷阱和局域电子气的相互作用,解释了可靠性加速寿命试验中的跨导曲线变化。沟道夹断的强负栅压应力产生内沟道逆压电缺陷,减弱栅电压对内沟道电子气的控制和沟道打开时跨导的上升斜率。沟道打开后的大电流应力使局域电子气与晶格碰撞产生热电子缺陷和空间电荷,抬高能带峰势垒引发外沟道堵塞,降低沟道电流,导致阈值电压正移。这一研究证明在场效应管直流和射频工作中的器件性能退化都是由陷阱同局域电子气相互作用产生的,开创了优化设计异质结能带来提高场效应管可靠性的新途径。最后讨论大沟道电流下能带峰势垒引发的外沟道堵塞和跨导崩塌在场效应管研发中的重要作用,提出了在空间电荷区上方设置专用的异质结鳍来平衡内、外沟道能带,解开场效应管中的电流崩塌、跨导崩塌、线性、器件性能退化及3 mm高频工作等难点。

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2~18 GHz超宽带固态功放合成技术的研究

祝庆霖, 胡炳坤, 王仁军, 成海峰

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 258-262.

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介绍了一款2~18 GHz超宽带固态功率放大器的研究结果。设计并制作了一款基于空气带状线结构的四路超宽带功率合成器。运用此合成器对四只2~18 GHz GaN功率芯片进行了功率合成,最终实现了一款超宽带固态功率放大器。测试结果表明,该放大器在2~18 GHz的频带内,连续波输出功率达到50 W以上,合成效率大于85%,功率附加效率大于15%。

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基于瞬时功耗检测的SiC MOSFET短路保护策略^*

刘平, 刘叶春, 苗轶如

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 263-268.

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针对SiC MOSFET对短路电流的耐受能力较弱的问题,设计了一种短路检测策略以提高其运行可靠性。基于SiC MOSFET在正常运行及短路故障状态下的瞬时功耗差异可形成短路判据,设计了瞬时功耗检测的SiC MOSFET短路检测方案和电路。仿真测试了其针对两种不同短路故障工况的监测性能,验证了提出的短路检测的有效性。结果表明提出的短路保护方法响应时间短,短路峰值电流小。

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基于协同仿真技术的超宽带射频微系统热电设计

朱臣伟, 刘娟, 唐昊, 赵逸涵, 葛振霆, 魏然, 铁清木

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 269-274.

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随着芯片集成度提高,射频微系统性能提升、封装尺寸减小和高密度集成技术进步,电热耦合问题日益加剧。针对该问题,本文基于多物理场电热协同仿真方法开展相关研究。研究分为三个层次,首先是器件级热仿真,针对器件的结构进行了热仿真,根据器件的温度冲击仿真计算出温度响应,以预测器件的热稳定性;第二层次是电路级仿真,建立链路的行为级模型,并且根据链路中各级模块的电性能评估预测整体链路的输出参数;第三层次是系统级仿真,建立系统级热-电模型,利用电热的耦合评估电热场效应对各模块性能的影响。

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基于微波多层板的三维集成Ka波段馈电网络

王婕, 李姣, 严川, 褚红军

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 275-280.

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基于微波多层板平面传输结构与三维集成垂直过渡结构,设计了一款Ka波段小型化宽带高隔离度馈电网络。该馈电网络由两个Wilkinson功分器组成,尺寸仅为24 mm×24 mm×0.75 mm,可以在35~41 GHz宽频带内实现高达45 dB的端口隔离度,且其插损稳定保持在4.5±1 dB。全波仿真与实测结果表明,所设计的馈电网络具有宽带、高隔离度特性,可以推广应用于毫米波雷达等系统。

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基于双面平行带线的小型化谐波抑制混合环

陈鹏, 李鹏, 张斌

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 281-286.

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提出一种基于双面平行带线（Double-sided parallel strip line,DSPSL）的小型化谐波抑制混合环。采用一条高阻抗线并联谐振枝节代替传统的λ/4传输线,并用DSPSL反相单元代替λ/2传输线,以实现减小混合环尺寸。通过并联谐振枝节引入带外传输零点,使谐波抑制到第七次谐波。采用此方法设计了一个中心频率为1 GHz的混合环,测试结果表明,设计的混合环能够改善传统混合环性能,使相对带宽达到90.2%,0~7 GHz的频带内隔离均大于20 dB,并保持在5.3 GHz附近插入损耗大于40 dB,实现良好的谐波抑制水平,并且该混合环尺寸缩小为传统混合环的18.6%。

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基于阶梯阻抗谐振器的双模带通滤波器设计^*

张友俊, 马宗芳

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 287-291.

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提出了一种具有高选择性低损耗的带通滤波器。该滤波器采用开口阶梯阻抗和三段阶梯阻抗结构,具有结构紧凑的特点。阶梯阻抗开口端结构可以改变偶模谐振频率,而奇模频率固定在基波谐振。利用折叠耦合线输入和输出馈电的形式耦合到双模谐振器实现了滤波器性能的改善和选择性的提高。设计并制作了一款双模带通滤波器实物,实验结果表明通带的中心频率为1.60 GHz。插入损耗约为1.15 dB,回波损耗优于30 dB。通过对滤波器实物的制作与测试,实际结果与仿真结果基本一致。

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同质结钙钛矿太阳能电池性能优化研究^*

李玉霞, 甘永进, 覃斌毅, 李清流, 蒋曲博, 毕雪光, 李璞, 蔡文峰

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 292-298.

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基于太阳能电池模拟软件SCAPS-1D,设计了结构为FTO/Nb₂O₅/n型MAPbI₃/p型MAPbI₃/Cu₂O/Au的同质结钙钛矿太阳能电池。为达到优化电池性能的目的,探讨了钙钛矿活性层的厚度和缺陷态密度以及载流子传输层和钙钛矿活性层界面的缺陷态密度对电池性能的影响。由仿真结果知,适当增加n型MAPbI₃的厚度可增强对光子的有效吸收从而提升电池性能,但当n型MAPbI₃的厚度大于载流子扩散长度时,载流子复合增强导致电池性能降低。随着n型MAPbI₃的缺陷态密度不断增加,相当于引入了更多的载流子复合中心,因此电池性能逐渐变差。相比n型MAPbI₃,由于p型MAPbI₃置于n型MAPbI₃的背面,其厚度及缺陷态密度的变化对电池性能影响较弱。随着界面层缺陷态密度的增加,光生载流子运输受到阻碍,复合增强从而限制了电池的性能提升,相比p型MAPbI₃和Cu₂O之间的界面而言,Nb₂O₅和n型MAPbI₃之间的界面缺陷态密度对电池性能影响效果更明显。通过参数优化,提升了电池的输出性能,优化后电池的开路电压、短路电流密度、填充因子及效率分别为1.22 V、23.46 mA/cm²、88.35%和25.20%。

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TiO₂缓冲层在SnS薄膜太阳能电池中的数值仿真研究^*

张红, 张国成, 宁宇

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 299-305.

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低成本、环保的硫化亚锡（SnS）,因具有较高的吸收系数与合适的禁带宽度,成为薄膜太阳能电池中很有潜力的光吸收层材料。但是目前已报道的SnS薄膜太阳能电池效率仍较低。本文对二氧化钛（TiO₂）缓冲层在SnS薄膜太阳能电池中的应用进行数值仿真研究。首先对吸收层的厚度与掺杂浓度、缓冲层的厚度与掺杂浓度进行了讨论,优化后的光电转换效率达到15.66%。然后在此基础上仿真分析了环境温度、背接触金属功函数对电池性能的影响。由仿真结果可知,该电池效率的温度系数为-0.029%/K,当背接触功函数大于5.1 eV时,电池性能较好。这为以后研发高性能的SnS薄膜太阳能电池提供了理论指导与参考。

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基于28 nm体硅CMOS工艺位交织型抗辐射触发器加固结构^*

周昕杰, 张黎莉, 王韬, 郭刚, 陈启明

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 306-308.

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为了减小单粒子电荷共享效应对纳米级触发器的影响,提出了一种基于双互锁冗余加固触发器（Dual interlocked storage cell, DICE）的新型布局结构。该结构在融入了脉冲窄化和敏感节点位交织技术,并与传统的DICE结构进行了比较,面积比传统DICE结构减小了15%,不需要考虑敏感节点直接的间距。测试电路用28 nm体硅CMOS工艺进行流片,辐射实验在中国原子能科学研究院抗辐射技术应用创新中心进行。实验证明：新型触发器结构单粒子翻转线性能量转移阈值≥37 MeV∙cm²/mg,能够满足航天产品的应用需求。

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用于反熔丝FPGA的片上闭环电荷泵电路^*

马金龙, 于宗光, 赵桂林, 刘国柱, 朱岱寅

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 309-316.

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针对反熔丝FPGA编程模式和用户模式不同的控制要求,基于Dickson电荷泵结构提出了一种新型的片上闭环电荷泵结构。新增加零伏电路实现了高电压与低电压之间有效隔离。电荷泵闭环控制机制有效地解决了启动慢的问题,保证了电路正确工作时序。仿真结果显示：在电源电压3.3 V、整体电路全负载的条件下,启动时间为6.23 μs。采用0.18 μm 1P3M 3.3 V/5 V CMOS工艺流片,电路编程成功并且功能正确。

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一种基于BIFET工艺的采样保持电路

周远杰, 罗寻, 何峥嵘, 王成鹤, 范国亮, 杨阳, 徐佳丽

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 317-322.

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基于双极兼容PJFET（BIFET）工艺,设计了一种单片采样保持电路,介绍了采样保持电路总体架构以及工作原理。电路内部包含输入级运算放大器、电压比较器、模拟开关、输出级运算放大器以及偏置电路等单元。对保持电路中的环路稳定性设计、保持模式下低漏电设计等关键技术进行了分析。芯片流片测试结果表明,该采样保持电路在±15V工作电压条件下,增益误差≤0.005%,失调电压≤3 mV,电源电流≤6.5 mA,电源抑制比≥80 dB,-3 dB带宽≥10 MHz,捕捉时间≤10 μs,满足高精度数模转换器（ADC）前端对信号采样保持的应用需求。

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面向超高清微显示器的20 Gbps低抖动CDR设计^*

吴浩, 季渊, 郑志杰, 穆廷洲

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 323-328.

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针对超高清硅基微显示器对接口电路高信号带宽的要求,设计了一款20 Gbps的双环路低抖动时钟数据恢复电路。该电路工作在锁频环路时,锁定检测器控制电荷泵电流逐步减小,有效降低控制电压纹波,并采用LDO镜像结构抑制环形压控振荡器电源纹波及不同电源节点间的纹波串扰,减少环路噪声。测试结果表明,提出的微显示器架构和设计的CDR电路可实际应用于超高清硅基OLED微显示器,恢复出的20 Gbps数据峰峰值抖动为36.8 ps,捕获范围为17.4~21.7 GHz,功耗为43 mW。

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使用3C/4H-SiC异质外延薄膜制备石墨烯

王翼, 周平, 赵志飞, 李赟

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 329-334.

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采用在4H-SiC衬底上生长的3C-SiC薄膜进行了石墨烯的制备。首先在不同的C/Si比条件下进行3C-SiC薄膜的生长,然后通过对这些3C-SiC薄膜进行热分解来制备石墨烯。对C/Si比为2.21时生长的3C-SiC进行热分解,成功得到了石墨烯,其拉曼光谱2D峰的半高宽为60 cm^-1,迁移率为1 480 cm²V^-1s^-1,晶畴尺寸为1 μm×1 μm左右。由热分解前后样品拉曼光谱的变化可知,石墨烯是由3C-SiC薄膜热分解得到的,与4H-SiC衬底无关,因此通过控制3C-SiC外延层的厚度即可实现对石墨烯厚度的控制。

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基于扁针头直写的银纳米线排列及图案化方法^*

李峥, 田志明, 蔡滕, 李若舟, 于映, 方玉明

固体电子学研究与进展. 2022, 42(4): 335-340.

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银纳米线（AgNW）的有序排列是提升薄膜光电特性的有效手段,然而传统的排列方法通常都忽略了图案化且有序排列的AgNW薄膜的制造。本文基于直写技术,提出了一种一步AgNW排列及薄膜图案化方法。利用AgNW分散液在精细扁针头中流动时抛物线型的速度分布,使AgNW在针头中排列,随后通过直写,实现有序排列的AgNW在衬底上的沉积以及快速图案化。本研究制备的薄膜半峰宽低至6.87°,线宽范围为1.5~3.0 mm,具有各向异性的光电特性,且相对于随机排列的AgNW薄膜,光电性能也得到有效提升（方块电阻为22.5 Ω/□时, 550 nm处的透光率为87. 6%）。

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2022年, 第42卷, 第4期　刊出日期：2022-08-25

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